Dernière mise à jour : 27 avril 2022

​Plusieurs technologies existent pour capter et convertir l’énergie solaire. Elles sont basées sur la captation de l’énergie des photons, particules énergétiques qui composent la lumière. Les technologies développées permettent de convertir leur énergie en chaleur ou en électricité. L’énergie solaire est une énergie renouvelable dont l’utilisation ne produit pas de CO₂. Celle-ci apparaît donc comme une solution possible aux problèmes posés par la raréfaction de certaines sources d’énergie, leur coût et impact sur l’environnement.

Les trois filières d’exploitation de l’énergie solaire

Le solaire thermique

Cette technologie convertit l’énergie solaire en chaleur. Les atomes composant le matériau des capteurs solaires sont excités par les photons. En récupérant une partie de leur énergie, les atomes changent d’état énergétique, créant une agitation thermique. Les atomes vont alors libérer le surplus d’énergie sous forme d’énergie thermique, se manifestant sous forme de chaleur. Celle-ci va être transportée par un fluide caloporteur (eau, gaz…) : chauffé, il va pouvoir distribuer peu à peu sa chaleur (plancher chauffant par exemple), ou être stocké (ballon d’eau chaude par exemple) pour un usage ultérieur.

Le solaire thermodynamique

Le principe est de convertir l’énergie solaire en chaleur, puis en électricité dans un second temps. Comme pour le solaire thermique, des capteurs excités par les photons vont produire de la chaleur. En concentrant les rayons du soleil par un système de miroirs (réflecteurs), les températures atteintes sont plus élevées (de 250°C à 1000°C). Un fluide caloporteur transporte cette chaleur, et celle-ci est ensuite transmise à un fluide thermodynamique. Sous l’effet de changements de température (et donc de pression), le fluide thermodynamique va produire des forces de poussée (énergie mécanique), activant une turbine reliée à un alternateur, permettant ainsi de convertir cette énergie en électricité.

Le solaire photovoltaïque

Cette technologie convertit directement l’énergie solaire en électricité. Le matériau des capteurs, souvent à base de silicium (Si), est un semi-conducteur : il peut être soit isolant, soit conducteur, selon les conditions dans lesquelles on le place. Les photons vont exciter des électrons dans ce matériau, en leur transférant une partie de leur énergie et en les rendant mobiles. Ces électrons mis en mouvement vont ainsi produire un courant continu, pouvant alimenter un réseau électrique. Un onduleur convertit ce courant continu en courant alternatif, qui pourra être utilisé par des appareils électriques (électroménagers etc.).

Enjeux : Diminuer les coûts de conception/fabrication et augmenter le rendement énergétique

Le soleil est une source d’énergie disponible partout et renouvelable, et son utilisation dans la production d’énergie est non polluante. Mais les technologies qui permettent son exploitation ont un coût encore un peu élevé, et certaines étapes d’élaboration sont polluantes. De plus, sa disponibilité reste intermittente, avec de fortes variations d’intensité : il y a des périodes où l’ensoleillement est plus fort, et d’autres où on ne peut y recourir. L’ensoleillement peut varier dans le temps, mais aussi suivant la région où on se trouve. C’est pourtant de la quantité d’ensoleillement que dépendra la quantité d’énergie fournie.

L’intérêt de recourir à cette énergie varie donc, sa rentabilité économique et énergétique changeant selon le lieu et l’heure auxquels on se trouve.

En plus de ces défis généraux communs aux trois filières d’exploitation de l’énergie solaire, chacune doit faire face à ses propres contraintes :

• Le solaire thermique ne peut pas encore réguler à lui seul la température d’un habitat sur toute l’année. Des stratégies de couplage avec d’autres sources d’énergie doivent être mises en place. Une autre piste consiste à étendre les installations à l’échelle du quartier ou de la ville (mise en place de « réseaux de chaleur », à la manière du réseau électrique).
  
• Le solaire thermodynamique nécessite un fort ensoleillement direct, ce qui réserve cette technologie à des régions précises (Afrique du Nord, Australie, États-Unis…).
  
• Le solaire photovoltaïque se montre la solution la plus rentable pour les installations autonomes dans un grand nombre de cas, mais le caractère variable de cette énergie nécessite une association avec d’autres sources ou le couplage avec des

Les pistes de Recherche et Développement empruntées par le CEA

Les chercheurs travaillent sur plusieurs pistes pour améliorer ces trois technologies :

• capter une plus grande partie du rayonnement solaire ;
• diminuer les pertes d’énergie captée (réémission, ou lors de sa conversion ou de son transport…) ;
  
• faciliter et diminuer le coût de la production des matériaux.

Pour améliorer la captation de l’énergie solaire, les scientifiques étudient les compositions atomiques optimales des capteurs. Certains matériaux captent plus d’énergie apportée par la même quantité de photons, d’autres la captent même si l’ensoleillement est faible. La recherche sur les matériaux doit aussi prendre en compte la disponibilité (rare ou précieux, facile à exploiter etc.), la résistance au cours du temps… En analysant le cycle de vie du matériau étudié, les chercheurs peuvent ainsi estimer sa rentabilité économique et énergétique.

Une autre stratégie consiste à concentrer les rayons du soleil reçus par les capteurs, avec des traitements spécifiques de leur surface ou en utilisant des réflecteurs. Des systèmes motorisés peuvent orienter les capteurs et les réflecteurs en fonction de la position du soleil au cours de la journée, pour favoriser leur exposition aux rayons solaires.

Pour optimiser l’énergie captée, celle-ci devra être restituée au mieux et ainsi produire un maximum de chaleur ou d’électricité. Pour cela, il faut diminuer la quantité d’énergie perdue lors de son transport et de ses conversions (lumière -> chaleur ; chaleur -> électricité ; lumière -> électricité). C'est l'objectif des études menées par les chercheurs sur les fluides caloporteurs et thermodynamiques et sur les matériaux composant les cellules photovoltaïques ; ceci afin de convertir et de distribuer au mieux l’énergie produite.

Pour étaler sa consommation dans le temps, et ne pas manquer d’énergie lorsque l’éclaircissement diminue ou qu’il fait nuit, la production/distribution de l’énergie solaire doit pouvoir être découplée des intermittences jour/nuit et été/hiver. Les études sur l’utilisation de l’énergie solaire sont étroitement liées à d’autres menées sur le stockage de l’énergie ou le couplage de différentes sources énergétiques sur une même installation.